В апреле 1953 года мир был потрясен открытием структуры ДНК, которая раскрывала секрет воспроизведения жизни. Вскоре после этого ученые показали, как из простых химических веществ могут образовываться аминокислоты, строительные блоки жизни. И в том же году мы узнали, что Земля намного старше, чем мы думали, что давало больше времени для возникновения жизни.
Эти три события, произошедшие в 1953 году, создали ощущение, что мы на пороге понимания происхождения жизни. Но семьдесят лет спустя мы все еще не знаем, как жизнь появилась на Земле, и каковы ее шансы появиться на других планетах. Однако последние исследования приближают нас к ответам на эти вопросы, предлагая новые гипотезы и эксперименты. Рассмотрим, как изменилось наше видение происхождения жизни за последние десятилетия, и какие перспективы у нас есть для ее обнаружения в космосе.
Что такое жизнь?
Прежде чем пытаться объяснить, как жизнь возникла, нам нужно определить, что мы подразумеваем под этим термином. Жизнь — сложное явление, которое имеет множество характеристик, таких как обмен веществ, рост, размножение, адаптация, наследственность и эволюция. Но не все эти свойства одинаково важны для определения жизни, и некоторые из них могут быть общими и для неживых систем.
Например, кристаллы могут расти и адаптироваться к окружающей среде, но они не считаются живыми. С другой стороны, вирусы могут размножаться и наследовать генетическую информацию, но они зависят от клеток-хозяев и не имеют собственного обмена веществ, поэтому их статус живых существ спорный. Таким образом, нет однозначного и всеобъемлющего определения жизни, которое бы удовлетворяло всех ученых и философов.
Однако существует несколько критериев, которые часто используются для выделения жизни из неживой материи. Одним из таких критериев является способность к самоорганизации, то есть формирование сложных структур из простых компонентов без внешнего воздействия. Другим критерием является способность к самоподдержанию, то есть поддержание постоянства внутреннего состояния при изменении внешних условий. И третьим критерием является способность к самовоспроизведению, то есть создание копий себя с передачей информации от поколения к поколению. Эти три критерия не исключают друг друга, а дополняют, образуя основу для понимания жизни как динамической, сложной и информационной системы.
Как возникла жизнь на Земле?
Согласно широко принятой теории, жизнь на Земле возникла около 4 миллиардов лет назад в результате химической эволюции, которая привела к образованию первых органических молекул, таких как аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жиры. Эти молекулы могли синтезироваться из неорганических веществ, таких как вода, аммиак, метан и водород, под действием энергии солнечного света, ультрафиолетового излучения, молний, вулканической активности или космических лучей.
Этот процесс был воспроизведен в лаборатории в знаменитом эксперименте Миллера-Юри в 1953 году, который показал, что из простой газовой смеси можно получить аминокислоты, если пропустить через них искру электрического разряда. Однако с тех пор стало ясно, что условия на ранней Земле были не такими, как в эксперименте Миллера-Юри, и что существовало множество других источников органических молекул, таких как метеориты, кометы, гидротермальные источники и ледяные лунные кратеры.
Таким образом, вопрос не в том, как органические молекулы могли образоваться на Земле, а в том, как они могли объединиться в более сложные структуры, способные к самоорганизации, самоподдержанию и самовоспроизведению.
Одной из наиболее известных гипотез, пытающихся ответить на этот вопрос, является гипотеза глобальной РНК, которая предполагает, что первой молекулой жизни была РНК, которая одновременно несла в себе информацию и катализаторную функцию. РНК могла складываться из нуклеотидов, которые могли образовываться из простых сахаров и азотистых оснований, а затем объединяться в короткие цепочки, называемые олигонуклеотидами. Олигонуклеотиды могли связываться друг с другом по принципу комплементарности, образуя двойные спирали, а также разрываться под действием тепла или химических реагентов.
Таким образом, РНК могла копировать себя, мутировать и эволюционировать, а также катализировать химические реакции, необходимые для синтеза других молекул. Со временем РНК могла образовать более сложные структуры, такие как рибозомы, которые могли синтезировать белки из аминокислот, а также ДНК, которая могла хранить информацию более стабильно и эффективно, чем РНК. Таким образом, РНК-мир мог быть переходным этапом к более сложной жизни, основанной на ДНК и белках.
Какие существуют альтернативы гипотезе глобальной РНК?
Гипотеза имеет ряд проблем, которые делают ее неполной и спорной. Одной из таких проблем является сложность синтеза нуклеотидов и РНК в присутствии воды, которая может разрушать их. Другой проблемой является отсутствие достаточных доказательств существования глобальной РНК в природе, так как РНК очень нестабильна и быстро разлагается. И третьей проблемой является трудность объяснения перехода от глобальной РНК к глобальной ДНК, так как РНК и ДНК имеют разные сахара в своем составе, и неясно, как могла произойти их замена.
Поэтому некоторые ученые предлагают другие гипотезы, которые могут лучше объяснить происхождение жизни. Одной из таких гипотез является гипотеза метаболического мира, которая предполагает, что первой молекулой жизни была не РНК, а какой-то другой тип молекулы, способной к самоподдержанию и самоорганизации. Эта молекула могла быть, например, пирофосфатом, который мог участвовать в цикле химических реакций, поддерживающих энергетический баланс и создающих сложные органические соединения.
Эти реакции могли происходить в специальных микросредах, таких как гидротермальные источники, где температура, давление и концентрация химических веществ могли варьироваться и создавать условия для химической эволюции. Позже эта молекула могла обрести способность к самовоспроизведению и наследственности, а также синтезировать РНК и ДНК. Таким образом, метаболический мир мог быть переходным этапом к более сложной жизни, основанной на информации и катализе.
Радикально новая теория возникновения жизни на Земле
Недавно появилась новая теория, которая предлагает радикально новый взгляд на происхождение жизни. Эта теория называется теорией химического большого взрыва, и она утверждает, что жизнь возникла не постепенно, а внезапно, в результате огромного выброса энергии и материи, который произошел на Земле около 4 миллиардов лет назад. Этот выброс был вызван столкновением Земли с другим небесным телом, которое могло быть планетой или кометой. При этом столкновении на Земле образовался огромный кратер, в котором температура достигала тысяч градусов, а давление было настолько высоким, что вода превращалась в сверхкритическую жидкость, способную растворять любые вещества.
В этом кратере происходили сложные химические реакции, которые приводили к образованию органических молекул, таких как аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жиры. Эти молекулы могли объединяться в более сложные структуры, способные к самоорганизации, самоподдержанию и самовоспроизведению. Таким образом, жизнь могла возникнуть в результате одного единственного события, которое изменило ход истории Земли.
Что такое химический большой взрыв?
Теория химического большого взрыва была предложена в 2016 году группой ученых из США, Великобритании и Австралии, которые изучали геологию и химию ранней Земли. Они обратили внимание на то, что на Земле есть множество кратеров, которые свидетельствуют о столкновениях с другими небесными телами в прошлом. Одним из таких кратеров является кратер Юнга в Южной Африке, который имеет диаметр около 70 километров и возраст около 3,9 миллиардов лет.
Этот кратер был образован в результате удара астероида или кометы, которая имела диаметр около 10 километров и массу около 10^15 килограмм. При этом ударе было высвобождено около 10^23 джоулей энергии, что эквивалентно взрыву 10 миллиардов мегатонн тротила. Это было настолько мощно, что на Земле произошло глобальное потепление, которое длилось около 1000 лет. В кратере Юнга температура достигала 4000 градусов Цельсия, а давление было настолько высоким, что вода превращалась в сверхкритическую жидкость, которая имеет свойства и газа, и жидкости, и может растворять любые вещества.
В этой сверхкритической воде происходили сложные химические реакции, которые приводили к образованию органических молекул, таких как аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жиры. Эти молекулы могли объединяться в более сложные структуры, способные к самоорганизации, самоподдержанию и самовоспроизведению. Таким образом, в кратере Юнга могла возникнуть жизнь, которая затем распространилась по всей планете.
Какие доказательства поддерживают теорию химического большого взрыва?
Теория химического большого взрыва основывается на нескольких доказательствах, которые свидетельствуют о том, что на Земле происходили столкновения с другими небесными телами, и что в результате этих столкновений могли образовываться органические молекулы. Одним из таких доказательств является наличие кратеров на поверхности Земли, которые имеют разный возраст и размер. Некоторые из этих кратеров соответствуют времени, когда, по мнению ученых, возникла жизнь на Земле, то есть около 4 миллиардов лет назад.
Кроме того, в некоторых кратерах были обнаружены следы органических молекул, таких как углеводороды, аминокислоты и нуклеотиды, которые могли быть синтезированы в результате химических реакций в сверхкритической воде. Другим доказательством является наличие изотопов углерода-13 и азота-15 в древних породах, которые свидетельствуют о том, что на Земле были присутствовать органические молекулы, которые могли быть привнесены с других небесных тел или сформированы в результате химических реакций.
Еще одним аргументов в поддержку теории является наличие цирконов в древних породах, которые свидетельствуют о том, что на Земле была вода уже 4,4 миллиарда лет назад, что создавало условия для химической эволюции.
И наконец, весомым доказательством можно считать наличие древних микрофоссилий, которые свидетельствуют о том, что на Земле существовали простейшие формы жизни уже 3,5 миллиарда лет назад, что совпадает с временем, когда происходили столкновения с другими небесными телами. Эти микрофоссилии представляют собой отпечатки или остатки бактерий, водорослей и других микроорганизмов, которые могли обитать в воде или на суше. Они были обнаружены в разных частях мира, таких как Австралия, Южная Африка, Канада и Исландия. Они показывают, что жизнь на Земле была разнообразной и приспособленной к разным условиям. Однако они не позволяют сделать вывод о том, как эти микроорганизмы возникли, и откуда они получили свою генетическую информацию.
Какие последствия имеет теория химического большого взрыва для поиска жизни в космосе?
Теория химического большого взрыва имеет важные последствия для поиска жизни в космосе, так как она предполагает, что жизнь может возникать в результате редких и экстремальных событий, которые могут происходить на других планетах. Это означает, что жизнь может быть не такой уж распространенной во Вселенной, как мы думали, и что для ее обнаружения нам нужно искать не только планеты, которые похожи на Землю, но и планеты, которые имеют следы столкновений с другими небесными телами.
Также это значит, что жизнь может быть очень разной по форме и химии, в зависимости от того, какие органические молекулы были сформированы в результате химического большого взрыва. Например, жизнь может быть основана не на ДНК и РНК, а на других типах молекул, которые могут хранить и передавать информацию. Или же жизнь может быть основана не на углероде, а на другом элементе, таком как кремний, который также может образовывать сложные соединения. Таким образом, теория химического большого взрыва расширяет наше представление о том, что такое жизнь, и где ее можно искать.
